Вопросы для развития критического мышления на уроках биологии

Степногорскқаласының білім бөлімі

Ю. А. Гагарин атындағы №7 орта мектебі

Отдел образования города Степногорска

Средняя школа №7 имени Ю.А. Гагарина

Вопросы для развития

критического мышления

на уроках биологии

Для учащихся 9 -11 классов

Разработала:

Майорова Олеся Михайловна

учитель биологии

Технология критического мышления

Пояснительная записка. Формирование критического мышления на занятиях и учебно-воспитательных мероприятиях в условиях школы и на различных ступенях образования является насущной методической проблемой. И она может быть успешно решена при условии глубокого понимания и индивидуализации усвоения, формирования функциональной грамотности учащихся.

Социальная среда, окружающая современных подростков, перенасыщена информацией, но далеко не вся эта информация и не все ее источники преподносят истинные сведения об окружающем мире. Но, в то же время это изобилие информации порождает ложное представление, что имеющийся социальный опыт человечества – как отражение окружающего мира – едва ли не больше самого этого мира, а это самое опасное заблуждение. К тому же вера в абсолютную истинность и непогрешимость любой информации лишает человека любого возраста самой надежной брони для выживания и благополучия – критического мышление.

Условия для формирования критического мышления можно и нужно создавать на любых учебных занятиях и учебно-воспитательных мероприятиях – с подбором соответствующих учебных ситуаций и заданий. Но можно и целенаправленно проводить мероприятия, направленные на проверку и выработку критического мышления – с разработкой специальных условий, заданий, ситуаций. Проведение таких мероприятий в конкурсной или игровой форме будет обеспечивать эмоциональную включенность учащихся или студентов, а значит – успешность.

Предлагаемая мною интеллектуальная викторина-симпозиум «В поисках истины» задумана как конкурсно-игровое мероприятие с элементами театральной педагогики, рассчитанное на обучаемых любого возраста – от учеников начальной школы до учащихся старших классов (с подбором соответствующих ситуаций и заданий, включаемых в сценарий для разных ступеней образования). Я написала свой авторский сценарий игры – с расчетом, что другие учителя будут вносить свои коррективы при непосредственном проведении подобного мероприятия. Я, по сути, подаю лишь основную идею, которая должна стимулировать методическое творчество педагогов любой ступени образования.

Цель: является формирование критического мышления учащихся и их функциональной грамотности в любых жизненных ситуациях.

Исходя из поставленной цели, были намечены следующие задачи:

1.Формирование и развитие основных приемов мышления и воображения как высших когнитивных процессов и основного интеллектуального инструмента познания мира.

2.Осуществление взаимосвязи теории с практикой, получаемых теоретических знаний с бытовым жизненным опытом.

3.Проверка прочности знаний, получаемых в школе, осуществление контроля функциональной грамотности в реальных ситуациях.

4.Формирование адекватной учебной мотивации за счет эмоционально-позитивного подкрепления, основанного на эмоциях интереса, а также введения элементов соревнования и конкурса.

5. Формирование навыков самостоятельной работы с различными источниками информации и сбора релевантной информации для различных целей – с ее дальнейшим критическим анализом.

6.Осуществление междисциплинарных связей при обсуждении проблем, касающихся различных естественных и социально-гуманитарных наук.

7. Формирование коммуникативной культуры учащихся: умения вести диалог и полилогическое общение, участвовать в дискуссиях, отстаивать свою точку зрения, работать в группе и коллективе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ РАЗВИТИЯ КРИТИЧЕСКОГО МЫШЛЕНИЯ

(Можно использовать на внеклассных мероприятиях)

1. Почему у амфибий и рептилий не возникло шерстного покрова? Ведь у холоднокровных животных он мог бы защитить тело от перепадов внешних температур.

Холоднокровные животные не продуцируют достаточно тепла, чтобы была необходимость его сохранять с помощью каких-либо теплоизолирующих образований (перо, шерсть, подкожный жир). Более того: они поддерживают температуру тела в теплый период за счет внешнего тепла, а значит, теплоизолирующие приспособления были бы им не только бесполезны, но и нецелесообразны.

2. Нередко красивые зубы называют жемчужными. А есть ли сходство в химическом составе жемчуга и зубной эмали?

Зубная эмаль человека и млекопитающих представлена фосфатами кальция, содержит минимум влаги и органических веществ (в отличие от цемента и дентина с аналогичным минеральным составом). Жемчуг является производным перламутрового (внутреннего) слоя раковины моллюсков, представленного карбонатом кальция, тонкие слои которого чередуются со слоями рогового белка. Когда мелкий острый предмет (песчинка) попадает между раковиной и телом моллюска, внутренний слой раковины начинает выделять перламутр, откладывающийся вокруг песчинки и сглаживающий ее острые края – так образуется жемчуг. Таким образом, как жемчуг, так и минеральные образования зуба представлены соединениями кальция – только разными его солями.

3. Какое теплоизолирующее образование возникло у водных млекопитающих вместо утраченного шерстного покрова?

Это прежде всего подкожный жир, который обладает плохой теплопроводностью и защищает внутренние органы от переохлаждения. Кроме того, все водные млекопитающие, и особенно представители отряда китообразных, имеют крупные размеры тела, что приводит к уменьшению относительной площади поверхности теплоотдачи. Обтекаемое, рыбообразное тело с редуцированными конечностями (минимум выступающих частей тела, в отличие от наземных зверей) также приводит к уменьшению соотношения площади поверхности и объема, что способствует сохранению тепла.

4. Приведите примеры: а) одинаковых черт адаптации к полярно противоположным условиям существования; б) различных адаптаций к одним и тем же условиям.

А) Болотные и пустынные растения, большинство галофитов имеют одинаково ксероморфный облик (узкая листовая пластинка), и такой же ксероморфный облик имеют олиготрофы – растения, адаптированные к недостатку минеральных солей.

Б) Растения, адаптированные к недостатку влаги, могут иметь узкую листовую пластинку (как адаптация к экономии влаги), а могут быть с мясистыми стеблями или листьями (адаптация к запасанию влаги, если засуха периодическая или сезонная).

5. Предположите возможные причины утраты шерсти у бегемота.

Возможных, не исключающих друг друга, причин может быть несколько. Во-первых, полуводный образ жизни: бегемот проводит в воде значительную часть времени, а шерстный покров в воде не выполняет теплоизолирующей функции, а лишь создает турбулентность (помехи) при плавании. Во-вторых, в тропических широтах с благоприятными температурами теплоизоляция, в том числе и направленная на сохранение тепла тела, не актуальна. В-третьих, крупные размеры тела приводят к уменьшению относительной площади поверхности, с которой отдается тепло, а значит, оптимальной теплорегуляции за счет соотношения объема и поверхности. В-четвертых, развитие многослойного, сильно ороговевающего эпителия, выполняющего роль защитного панциря, сделало невозможным развитие волосяного покрова – а для бегемота предпочтительнее защитный роговой эпителий (с учетом того, что в тропических широтах теплоизоляция утратила свое значение). В первом и четвертом случае предполагается закрепление адаптивного признака (утраты шерсти) движущим отбором, а во втором и третьем – выход признака, ставшего индифферентным, из-под контроля стабилизирующего отбора.

6. При каких условиях обитания млекопитающие могут утратить шерстный покров?

К числу таких специфических условий существования, когда шерстных покров становится либо не слишком нужным, либо даже дезадаптивным, можно отнести следующие. 1) Переход сухопутного животного к полностью водному образу жизни, без выхода на сушу, когда шерсть не выполняет теплоизолирующих функций и к тому же затрудняет передвижение в воде (создавая турбулентность). Взамен утраченной шерсти теплорегуляция у водных млекопитающих отряда китообразных (китов, дельфинов) осуществляется за счет толстого слоя подкожного жира, а также крупных размеров, уменьшающих теплоотдачу; это боле эффективные способы теплорегуляции в воде, обладающей огромной удельной теплоемкостью и быстро забирающей тепло. При полуводном образе жизни приполярные виды (тюлени) частично сохранили шерстный покров (хотя более короткий и редуцированный), который необходим для теплорегуляции на суше, а тропические виды (бегемот, носорог) утратили его – с учетом благоприятных внешних температур. 2) Возникновение у животного защитных роговых образований, исключающих формирование шерсти вообще или на определенных участках тела (как, например, толстый слой рогового эпителия у слонов, бегемотов и носорогов, щитки у броненосцев). Но такие образования возникают, как правило, у животных субтропических и тропических широт, где нет жесткой необходимости сохранения тепла. 3) Круглогодичная благоприятная внешняя температура, которая достигается в некоторых тропических регионах, не требующая теплоизоляции ни от холода, ни от жары. В таких условиях утратили шерстный покров многие субтропические и тропические виды – слоны, бегемоты, носороги. 4) Крупные размеры тела животного, при которых теплорегуляция оптимизируется за счет уменьшения соотношения площади и объема. Крупные животные, особенно обитающие в низких широтах (слон, бегемот, носорог), могут утратить шерстный покров полностью и при этом успешно осуществлять терморегуляцию.

7. Приведите примеры преобразования шерстного и перьевого покрова для других функций, не связанных с теплорегуляцией.

В качестве таких примеров можно привести следующие преобразования функций пера или шерсти. 1) Чувствительная функция – осязательные волосы и вибриссы млекопитающих, нитевидные перья у птиц. Эти образования необходимы для осязания у теплокровных животных, у которых кожа и ее осязательные рецепторы изолированы от внешней среды шерстным или перьевым покровом, затрудняющим осязательную функцию. 2) Оборонительная функция – иглы ежа и дикобраза. 3) Формирование защитных покровных образований, предохраняющих животное как от неблагоприятных внешних условий, так и от некрупных хищников – щитки броненосцев. 4) Роговые мозоли у верблюдов на локтях, коленях и груди, позволяющие ложиться на горячий песок; 5) Пудретки у некоторых видов птиц (попугаев, туканов, цапель) – участки кожи, покрытые ломкими порошковыми перьями, которые образуют мелкий порошок, предохраняющий оперение от намокания (заменяя жировой секрет недостаточно развитой копчиковой железы).

8. Почему сумчатые млекопитающие сохранились только в Австралии?

Примитивные млекопитающие (сумчатые и однопроходные) сохранились только в Австралии – благодаря раннему отделению этого континента от общего материка Гондваны и изоляции растительного и животного мира. На других континентах примитивные формы млекопитающих были вытеснены более продвинутыми плацентарными. Те виды плацентарных млекопитающих, которые встречаются в Австралии и Новой Зеландии, являются акклиматизированными видами, умышленно или непреднамеренно завезенными человеком. И многие из этих более совершенных плацентарных зверей представляют угрозу для численности аборигенных сумчатых видов, многие из которых находятся под охраной.

9. Являются ли конкурентами саранча и копытные животные?

Эти животные являются конкурентами, несмотря на разницу в размерах и образе жизни, ввиду совпадения трофической ниши (надземные части растений). Разница насекомых и копытных животных в размерах, безусловно, предопределяет разницу абсолютных энергетических потребностей каждой особи, однако суммарные энергетические потребности саранчи (особенно ее стадных форм), связанные с высокой численностью и темпами размножения, в целом не меньше, чем у стада крупных копытных. Поэтому выедание травы копытными может лимитировать размножение саранчи, и, наоборот, многочисленность саранчи может негативно отразиться на численности копытных.

10. Почему высокий травостой может быть неблагоприятен для мелких, быстро бегающих животных открытых пространств?

У мелких животных с относительно короткими конечностями затруднено передвижение по высокой траве, что уменьшает вероятность или поймать жертву (для хищника), или спастись от наземных бегающих хищников (для растительноядных животных). Поэтому мелкие животные, адаптированные к передвижению по поверхности, обычно обитают в открытых пространствах, отличающихся минимумом растительности или невысоким травяным покровом.

11. В чем общая биофизическая сущность правил Аллена и Бергмана?

Общая сущность этих биофизических теплорегуляционных закономерностей заключается в регуляции соотношения площади поверхности тела животного к его объему. По мере приближения к полярным широтам возникает необходимость сохранения тепла, поэтому у животных увеличиваются размеры тела (правило Бергмана) и уменьшается площадь его выступающих частей, в первую очередь ушной раковины (правило Аллена). В тропических и субтропических широтах необходима оптимальная теплоотдача, которая складывается из уменьшения общих размеров тела (и, соответственно, увеличения относительной площади его поверхности, с которой отдается тепло) и увеличения площади выступающих частей, увеличивающих суммарную поверхность (особенно с учетом того, что ушная раковина богата кровеносными сосудами, циркуляция крови по которым усиливает процесс отдачи тепла).

12. Что находится в горбах у верблюдов для адаптации к переходам по безводной пустыне?

В горбах верблюдов находится жировая ткань. Целесообразность такого способа запасания энергии связана с параллельным решением проблемы обеспечения организма водой. Жиры относятся к наименее окисленным органическим соединениям, требуют много кислорода для окисления, а в результате выделают много энергии и обеспечивают организм метаболической водой.

13. Почему горные полевки практически никогда не пьют воды? Предложите два возможных объяснения.

Во-первых, полевки – потребители сочных зеленых частей растений, в которых много влаги. Горные полевки рода Alticola обитают на альпийских и субальпийских лугах, питаясь наиболее сочными травами. Во-вторых, полевки, как и другие мелкие мышевидные грызуны, отличаются высокими темпами метаболизма, а окисление органических веществ, особенно жиров, дает много метаболической воды, удовлетворяющей потребности организма зверька. Горные полевки, обитающие высоко в горах, в условиях низких температур, отличаются особенно высокими темпами обмена веществ, чтобы теплопродукция могла уравновесить теплоотдачу мелкого зверька, а значит, при таких высоких темпах окисления метаболической воды выделяется особенно много.

14. Почему клест-еловик выводит птенцов зимой?

Главный критерий репродуктивного периода у птиц – обеспеченность кормом. Основная пища клеста – семена хвойных деревьев, которые созревают зимой и рано весной. Обеспеченность кормом птиц-родителей компенсирует затраты вещества и энергии на репродуктивные нужды, а вылетающие из гнезда птенцы будут расти в условиях обеспеченности кормом.

15. Хищники семейства кошачьих – наиболее облигатные мясоеды. Все ли они являются конкурентами друг другу при совместном обитании в одном регионе и биотопе?

Кошачьи сильно различаются по размерам, и, как правило, в одном регионе и биотопе обитают 2 или 3 вида этих хищников различного размера (например, на Дальнем Востоке – тигр и дикий амурский кот, на европейской части территории России – рысь и европейская лесная кошка). Разница в размерах предопределяет как абсолютные энергетические потребности зверей, так и различные по размерам виды жертв, на которые преимущественно охотится тот или иной хищник.

16. Почему у гепардов, которые, в отличие от остальных кошачьих, загоняют, а не скрадывают добычу, невтяжные когти?

Втяжные когти нужны именно видам, которые охотятся на жертву скрадом, подстерегая из укрытия, чтобы когти не стучали о поверхность и оставались острыми (для удержания добычи). Виды, которые охотятся, загоняя добычу (большинство собачьих), опираются на когти при быстром беге и прыжках (для создания трения – как у бегунов, обутых в шиповки), а жертву хватают и разрывают пастью. Гепарду невтяжные когти нужны еще для быстрого развития ускорения (выполняя опорную роль – по сути, ту же, что и стартовые колодки легкоатлетов). Гепарды, в отличие от волков, преследуют жертву на более коротком расстоянии, а значит, залог успеха в охоте – быстрое наращивание скорости бега.

17.Почему тюлени, в отличие от китообразных, не утратили полностью волосяной покров?

Тюлени проводят определенную часть времени на суше, а обитание в средних или приполярных широтах делает необходимым приспособление к наземной теплорегуляции за счет содержания воздуха в шерстном покрове. В то же время шерсть у тюленей более короткая, чем у большинства наземных зверей, чтобы не создавать препятствий при плавании, а для теплоизоляции в воде развивается толстый слой подкожного жира, обладающего плохой теплопроводностью. Кроме того, у тюленей достигается уменьшение площади поверхности тела по отношению к его объему – как за счет крупных размеров, так и за счет редукции конечностей и минимизации выступающих частей тела при его рыбообразной форме.

18.Почему у артемии при уменьшении солености воды удлиняются ветви вилочек на конце брюшка?

Плотность воды возрастает по мере увеличения ее солености. При обитании артемий в сильно соленой воде (до 280 г/л) эти рачки легко удерживаются в средних слоях воды, тогда как при снижении солености (а, соответственно, и плотности) воды для удержания в равновесном состоянии артемиям приходится увеличивать площадь поверхности тела за счет его выступающих частей (ветвей фурки) – чтобы увеличить сопротивление воды (трение о воду).

19. Почему носороги утратили волосяной покров?

Ответ на этот вопрос аналогичен ответам на вопросы №№ 5 и 6. К числу факторов, которые привели к утрате шерстного покрова у носорогов, можно отнести: 1) обитание в тропических широтах с благоприятными температурами, не требующими теплоизолирующих образований; 2) крупные размеры тела, благодаря которым достигается уменьшение соотношения площади поверхности и объема, оптимизирующее теплорегуляцию; 3) возникновение защитных роговых образований в виде многослойного грубого рогового эпителия, исключающего или затрудняющего развитие шерсти. Все эти факторы связаны между собой: защитные роговые образования, препятствующие формированию шерсти, известны только у животных тропических широт, имеющих средние или крупные размеры, когда шерстный покров не столь важен для терморегуляции (бегемоты, слоны, броненосцы).

20. Почему длительное пребывание человека в воде может привести к обезвоживанию?

Пресная вода вымывает из тканей соли, прежде всего одновалентных катионов (калия и натрия), которые обладают водоудерживающими свойствами. Ионы солей движутся по градиенту концентрации – от большей концентрации к меньшей (то есть из тела – в воду), в итоге наступает потеря солей одновалентных металлов, а значит, обезвоживание. Именно по этой причине после длительных ванн или стирки происходит сморщивание кожи на руках («руки прачки»).

21.Почему зайцу трудно бежать под гору?

У зайцев задние конечности короче передних; это оптимальный вариант при быстром передвижении прыжками. Такое соотношение длины конечностей позволяет зайцам бежать вверх по склону горы и делает их совершенно беспомощными при спуске (из-за чего зверьки нередко катятся вниз кубарем).

22. Влияют ли высота снежного покрова зимой и травостоя летом на распространение лисицы и корсака в районах их симпатричного сосуществования?

Во влажные годы больше глубина снежного покрова и выше травостой, нежели в годы с уменьшением количества атмосферных осадков. Корсак – более мелкий и коротконогий зверек по сравнению с обыкновенной лисицей, ему трудно передвигаться как по высокой траве, так и по глубокому снегу. И эта два фактора, связанные с количеством осадков, приводят к тому, что во влажные годы в северных областях Казахстана преобладает по численности лисица, в засушливые годы – корсак. Именно поэтому основной ареал корсака лежит в Центральном и Южном Казахстане, где сухие степи и полупустыни не дают высокого травостоя, а глубина снежного покрова значительно меньше, чем на севере (в связи с количеством выпадающих осадков и диапазоном зимних температур).

23. Каковы экологические преимущества древесных и травянистых растений?

Основные преимущества древесных растений – высокая продолжительность жизни, значительная ежегодная семенная продуктивность, большое количество почек возобновления, крупные размеры, позволяющие противостоять животным и неблагоприятным метеоусловиям. Преимущество травянистых растений (как однолетников, так и многолетних трав с ежегодно отмирающей надземной частью) состоит в быстрых темпах репродуктивного созревания по сравнению с деревьями (большинство трав дают семена в первый, реже – во второй год, деревья – через несколько лет), а это означает большую вероятность каждого экземпляра растения дожить до репродуктивного периода. Кроме того, в силу более быстрого созревания и меньшей продолжительности жизни у трав больше темпы ротации поколений, что позволяет популяциям травянистых растений быстро приспосабливаться к меняющимся условиям и закреплять эти адаптации на генетическом уровне. Один экземпляр травянистого растения не представляет большой репродуктивной ценности для популяции (в отличие от крупных деревьев), но более высокая численность и темпы размножения делают травы экологически более пластичными, чем древесные жизненные формы растений.

24.Какую пользу могут приносить человеку растительноядные птицы?

Во-первых, многие растительноядные птицы, особенно зимующие, поедают в больших количествах семена сорных растений, что особенно важно в агроценозах, окрестностях дач, огородов, населенных пунктов. Во-вторых, даже растительноядные птицы выкармливают птенцов гнездового типа (голых, слепых, беспомощных) беспозвоночными, уничтожая за летний сезон большое количество вредных насекомых. Несформированным, беспомощным птенцам нужны легкоусвояемые белки для быстрого роста и формирования перьевого покрова, а также нужна влага, которую взрослым птицам затруднительно доставить в гнездо. Та и другая проблема легко решается при выкармливании птенцов беспозвоночными (насекомыми, гусеницами, червями), которые богаты белком и содержат много влаги.

25. Почему снежный барс (ирбис) имеет наиболее светлую окраску из всех представителей кошачьих?

Снежный барс обитает высоко в горах, на больших абсолютных высотах над уровнем моря, тогда как большинство других крупных и мелких кошачьих – на равнинах, в средних и тропических широтах. Светлая окраска ирбиса – это один из случаев проявления правила Глогера (осветление пигментации у близкородственных форм не только к полярным широтам, но и по мере подъема в горы в связи с высотной поясностью). Эта закономерность имеет в первую очередь теплорегуляционное значение, поскольку в осветленном волосе уменьшается количество пигмента и увеличивается содержание воздуха, что является дополнительным фактором теплоизоляции светлой шерсти. Кроме того, светлая окраска при длительном снежном покрове экологически целесообразна как криптическая (для хищника и жертвы).

26. С каким образованием человека и млекопитающих больше всего сходна по своему химическому составу рыбья чешуя?

Рыбья чешуя по химическому составу больше всего сходна с эмалью зубов, и это вполне объяснимо происхождением зубов в филогенезе. Зубы возникли у рыб как выросты плакоидной чешуи на челюстях, то есть они покровного, а не мезодермального происхождения. У амфибий и рептилий зубы также представлены минеральными образованиями, прирастающими к челюстям, а у млекопитающих они приобрели корни и расположение в альвеолах.

27.Во что превращаются акульи челюсти в скелете млекопитающих?

Передние жаберные дуги висцерального скелета, которые у акул превращаются в челюсти (небноквадратный хрящ и меккелев хрящ) и подвесок (гиомандибуляре), постепенно претерпевают превращение в косточки слухового аппарата млекопитающих. У наземных позвоночных подвесок превращается в первую слуховую косточку – стремечко, а небноквадратный и меккелев хрящ – в наковальню и молоточек млекопитающих.

28. Превращается ли хорда в позвоночный столб в онтогенезе и филогенезе?

Хорда не претерпевает превращения в позвоночник ни в онтогенезе, ни в филогенезе, а замещается им (хотя у некоторых групп животных отдельные части хорды входят в состав частей позвоночника). Хорда сохраняется в течение всей жизни у ланцетников, круглоротых, цельноголовых, осетровых, двоякодышащих рыб, у остальных позвоночных и оболочников – только в эмбриональном состоянии. У взрослых позвоночных вокруг хорды развиваются хрящевые или костные элементы позвонков, сначала дополняющие, а затем вытесняющие ее, в результате чего хорда как основа осевого скелета замещается позвоночником. Остатки хорды сохраняются в сжатом состоянии внутри амфицельных позвонков у рыб, безногих и некоторых хвостатых земноводных, некоторых видов ящериц, либо же входят в состав тел позвонков (хвостатые земноводные), межпозвонковых дисков (крокодилы, млекопитающие), либо полностью исчезают (птицы).

29. Превращается ли туловищная (мезонефрическая) почка в тазовую (метанефрическую) или последняя возникает самостоятельно?

В эволюционном развитии позвоночных последовательно происходила смена трех типов почек (повторяющаяся в эмбриогенезе высших позвоночных): пронефрос (головная почка, функционирующая только у зародышей), мезонефрос (туловищная почка, характерная для анамний, а у амниот превращающаяся в придаток семенника или яичника), метанефрос (компактная тазовая почка, фукнционирующая у амниот – позвоночных с зародышевыми оболочками). Эти типы почек последовательно возникали соответственно из передней, средней и задней группы нефридиев – выделительных трубочек, характерных для низших хордовых и кольчатых червей.

30. Аналогом каких органов чувств наземных позвоночных является боковая линия рыб?

Боковая линия рыб и личиночных стадий амфибий локализована в коже и подкожных структурах тела и головы, состоит из каналов, заполненных жидкостью специфического ионного состава, ампул и поверхностных эпидермальных органов. Чувствительная роль боковой линии – механорецепция, реже – электрорецепция. Основной механорецепторной единицей органов боковой линии является невромаст, содержащий группу чувствительных волосковых клеток, подобных по строению и функциям сенсорным клеткам органов слуха и вестибулярного аппарата. Раздражителями служат потоки воды и низкочастотные колебания (воспринимается скорость течения, подводные препятствия, что позволяет рыбам ориентироваться даже без помощи зрения). Если проводить аналогию с органами чувств наземных позвоночных, в том числе с человеком и млекопитающими, то можно сказать, что боковая линия сходна с органами слуха, равновесия и осязания.

31. У человека ген эктодермальной дисплазии сцеплен с полом, находится в Х-хромосоме, и болезнь в основном проявляется у мужчин, обладающих гетерогаметным кариотипом (Y-хромосома не гомологична Х-хромосоме). У мужчин с этим геном полностью отсутствуют зубы и потовые железы, у гетерозиготных женщин наблюдается отсутствие отдельных зубов и некоторые сухие участки кожи. О каком филогенетическом происхождении зубов свидетельствует эта наследственная аномалия?

Эта аномалия свидетельствует о покровном, а не костном происхождении зубов: первоначально зубы хрящевых рыб представляли собой выросты чешуи. У человека один и тот же патологический ген повлиял на формирование как кожных желез, так и зубных зачатков.

32. Почему у лягушек, ящериц и змей отсутствует подкожная жировая клетчатка?

Подкожная жировая клетчатка теплокровных позвоночных (птиц и млекопитающих), помимо энергетической и запасающей функции, играет существенную роль в терморегуляции (сохранение тепла благодаря малой теплопроводности жира). У наземных холоднокровных позвоночных температура тела зависит от внешней среды, а не поддерживается за счет метаболических процессов организма. Поэтому дополнительная теплоизоляция тела от внешней среды была бы не только нецелесообразной, но и вредной, поскольку внешнее тепло служит основным источником теплорегуляции и активизации тела животного.

33.Что возникает в филогенезе раньше: орган или функция организма?

Необходимые функции, призванные обеспечить взаимосвязь частей организма и его взаимодействие с внешней средой, появляются раньше органа. Уже у прокариот, не имеющих мембранных ультраструктур – оформленных органоидов – те или иные функции выполняют различные части клетки (например, на выпячиваниях мембраны – мезосомах – происходит фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка). У одноклеточных организмов функции распределены между органоидами клетки. И только у многоклеточных возникают специализированные ткани и органы для выполнения определенных функций, причем не в строгом соответствии «один орган – одна функция»; каждый орган многофункционален, имея основную и дополнительные функции, которые в ходе эволюционного развития органа и организма в целом могут существенно меняться (принцип смены функций Дорна).

34.Что является более стабильным – орган или функция?

Необходимые функции организма, обеспечивающие его функционирование и взаимосвязь с внешней средой, являются более стабильными, нежели органы, выполняющие эти функции. В процессе эволюционного развития организмов очень часто один орган частично или полностью замещает другой, но функция остается. Более того: по принципу многофункциональности органов и смены ведущей функции многие гомологичные органы животных и растений в ходе эволюции меняли свои функции многократно. И, наоборот, одна и та же функция многократно передается различным органам, поочередно сменяющим друг друга (своего рода вытеснение одного органа другим, лучше выполняющим ту или иную функцию в конкретных условиях существования организма). Например, хорда, которая была первичным осевым скелетом, не превращается в позвоночник, а заменяется и постепенно вытесняется им. Тазовая (метанефрическая) почка амниот (рептилий, птиц, млекопитающих) не возникает из туловищной (мезонефрической), а образуется из другой группы нефридиев, тогда как мезонефрос у самцов амниот превращается в придаток семенника, у самок частично редуцируется, частично превращается в придаток яичника.

35. Что у животных возникло раньше – психика или нервная система?

Функция психического отражения возникла гораздо раньше материального субстрата психики – нервной системы. Уже у одноклеточных появляются простейшие формы реагирования на факторы внешней среды – таксисы: например, у эвглены и других фитомастигин (растительных жгутиконосцев) выражен положительный фототаксис, у пресноводной инфузории-туфельки – отрицательный, у морских парамеций – положительный хемотаксис на соль. Предшественники нервных элементов – клетки-миоциты, обладающие возбудимостью и сократимостью – появляются у губок, а у кишечнополостных появляется нервная система диффузного типа – с отдельными нервными элементами, разбросанными по всему телу (и уже определенными тенденциями концентрации и централизации нервных клеток у медуз).

36. Почему в биотопах с большой высотой снежного покрова и высокой численностью рысей обычно полностью вытесняется лисица?

Во-первых, рысь лучше адаптирована к глубокому снежному покрову: как за счет большей длины конечностей, позволяющей преодолевать сугробы, так и за счет широкого следа и развитой шерсти между пальцами, что уменьшает вес тела, приходящийся на единицу опорной площади, и позволяет не проваливаться на достаточно плотном снегу. Во-вторых, рысь и лисица являются пищевыми конкурентами, охотясь на зверьков средней величины, и рысь охотится более успешно за счет адаптации к глубокому снегу. В-третьих, рысь, будучи более крупным и сильным хищником, физически уничтожает лисицу, являясь одним из ее наиболее существенных врагов.

37. Вес рысей Беловежской пущи: самцов – 23.5, самок – 21.5 кг. Вес алтайской рыси доходит до 35 кг. С чем может быть связана такая разница в массе?

Увеличение массы рысей в горной местности связано с высотной поясностью и понижением температуры воздуха по мере подъема в горы. По правилу Бергмана, увеличение массы играет существенную роль в терморегуляции за счет изменения соотношения площади поверхности и объема тела – уменьшения площади теплоотдачи у более крупной формы по сравнению с мелкой.

38. Окраска меха рыси – буровато-белесая или сероватая, каракала – глинисто-желтая. Рысь населяет всю европейскую часть России (до лесотундры), каракал обитает в южных областях Казахстана, Узбекистане, Туркмении, Индии, Иране, Афганистане. Вес рыси – 20-25 кг, каракала – 8-9 кг самки и 11-13 кг самцы. Есть ли связь между всеми этими фактами? О каких эколого-эволюционных явлениях идет речь?

Речь идет о трех общеизвестных закономерностях. 1) Правило Бергмана, согласно которому размеры и масса близкородственных форм уменьшаются от полярных широт к тропическим (каракал значительно мельче рыси, являясь по форме тела ее точной копией). 2) Правило Глогера – усиление пигментации родственных видов от полюсов к тропикам (более интенсивная окраска каракала). 3) Правило Джордана – географический викариат двух представителей рода, весьма сходных по внешнему облику, образу жизни, способу охоты, пищевым объектам, лишь в определенной мере отличающихся по величине.

39. Почему пищевыми конкурентами медведя может быть широкий круг зверей – копытные, грызуны, хищники, и тем не менее эта конкуренция не сказывается на численности медведя?

Бурый медведь является эврифагом – видом с широким спектром питания, и поэтому имеет широкий круг трофических конкурентов. Однако такая конкуренция не будет отражаться на численности медведей по двум основным причинам: во-первых, эврифаг может легко перейти с одних пищевых объектов на другие, во-вторых, биомасса хищников, особенно крупных, всегда меньше биомассы травоядных видов и мелких хищников.

40. Почему снежный барс обладает самым длинным хвостом из всех представителей семейства кошачьих (более ¾ длины тела)?

Снежный барс обитает в горах, где ему нередко приходится преодолевать пропасти и ущелья прыжками. Максимальная длина прыжка зарегистрирована именно у этого вида животных. При таких прыжках, которые нередко имеют сложную траекторию, длинный хвост выполняет роль руля и позволяет менять направление прыжка в воздухе.

41.У большинства зверей зимний мех светлее летнего, у снежного барса – наоборот. Почему?

Более светлая окраска зимнего меха у большинства животных связана с той же теплорегуляционной закономерностью, которая обусловливает правило Глогера: осветление окраски близкородственных форм от тропиков к полюсам. Светлый волос содержит в своей полости мало пигмента, но много воздуха – плохого проводника тепла, обеспечивая дополнительную теплоизоляцию. Кроме того, светлая и полностью белая окраска при снежном покрове является покровительственной (криптической). Снежный барс обитает в высокогорьях, его окраска в целом светлее, чем у остальных кошачьих, обитающих на равнинах средних и тропических широт. Но в горах значительную роль в теплорегуляции играет излучение – более интенсивное, чем на равнинах. Поэтому более темный зимний мех барса поглощает солнечное излучение, а более светлая летняя шерсть, наоборот, отражает значительную часть лучей. Не исключено также, что более интенсивный обмен веществ в холодное время года приводит к усилению пигментации у светлоокрашенный животных (как это наблюдалось у котов сиамского окраса в высокогорных условиях или высоких широтах и нередко описывалось в художественной или популярной литературе).

42. Согласно правилу Бергмана, масса близкородственных форм или представителей одного вида увеличивается от тропиков к полюсам. Почему же африканский подвид гепарда крупнее азиатского, а не наоборот?

Экофизиологический смысл правила Бергмана заключается в соотношении площади поверхности и объема тела животного: при мелких размерах теплоотдача усиливается, при крупных – снижается. Климатические условия обитания азиатского подвида гепарда отличаются более высокими температурами (летом до +44 градусов) при континентальном климате, тогда как условия африканской саванны значительно мягче. Таким образом, некоторые исключения из правила Бергмана лишь подтверждают это правило, когда более высокие широты имеют более высокие температуры (особенно летние), чем субэкваториальные и тропические.

43. Известно, что теплокровные животные занимают ныне господствующее положение на Земле и завоевали все среды обитания, используя адаптивные преимущества постоянной температуры тела как одну из важнейших черт эмансипации организма от внешней среды. А каковы, по Вашему мнению, экофизиологические преимущества пойкилотермных животных?

Основное экофизиологическое преимущество холоднокровных состоит в том, что им не приходится тратить метаболическую энергию на поддержание постоянной температуры тела, и «сэкономленные» пластические и энергетические субстанции могут пойти на рост тела и размножение. У холоднокровных позвоночных, в отличие от теплокровных, линейный рост продолжается всю жизнь. Холоднокровные имеют достаточно целесообразное приспособление к переживанию периодов низких температур, когда жизнедеятельность их организма невозможна: впадают в особое состояние покоя, близкое к анабиозу. Кроме того, у теплокровных, особенно мелких – с высокими темпами теплоотдачи, высокие темпы метаболизма, необходимые для теплопродукции, существенно сокращают жизнь по сравнению с холоднокровными животными соответствующей величины.

44. Перечислите все возможные адаптивные преимущества полового диморфизма у различных видов животных.

К возможным эколого-эволюционным преимуществам полового диморфизма у различных видов животных можно отнести следующие. 1) Избирательные приспособления животных того или иного пола (чаще самцов) для защиты территории и потомства. 2) Половой отбор, позволяющий участвовать в воспроизводстве потомства наиболее генетически ценным самцам-производителям. 3) Диморфизм, связанный с меньшей подвижностью самок, направлен на то, чтобы увеличивать плодовитость без излишних затрат вещества и энергии на перемещения. 4) Уменьшение размеров и продолжительности жизни самцов у некоторых видов беспозвоночных связано с экономией потенциальных трофических ресурсов популяции и вида и распределением этих ресурсов в пользу самок – основного репродуктивного потенциала популяции, которые затрачивают больше энергии на репродуктивные нужды, нежели самцы. 5) Привлечение особей противоположного пола, что увеличивает вероятность спаривания и получения потомства.

45.Некоторые виды насекомых имеют – постоянно или периодически – бескрылых самок (тли, некоторые виды тараканов и бабочек-пядениц). Каков адаптивный экологический смысл появления бескрылых самок?

Бескрылые самки могут быть более плодовитыми, нежели крылатые – за счет экономии вещества и энергии на перемещения. Их функция – размножение, максимальная реализация репродуктивного потенциала при достаточном трофическом ресурсе, а расселительную функцию и поиск новых благоприятных местообитаний будут выполнять уже другие особи или генерации. У многих видов бескрылые самки появляются лишь сезонно – обычно летом, когда климат и потенциальные кормовые ресурсы способствуют размножению.

46. Перечислите основные адаптации животных (физиологические, экологические. Поведенческие) к синантропному образу жизни: а) в населенных пунктах; б) в помещениях.

А) Обитание в населенных пунктах приводит синантропных животных к следующим комплексам адаптаций. 1) Пластическая поведенческая приспособляемость, а также закрепление на генотипическом уровне некоторых форм адаптивного поведения. Это прежде всего поведенческие реакции по отношению к человеку, сооружениям и техническим средствам. 2) Изначально широкий спектр питания (эврифагия), который в дальнейшем либо расширяется – в связи с разнообразием пригодных для питания пищевых или технологических отходов, либо специализируется на каком-то виде облигатных антропогенных отходов или доступных пищевых продуктов. 3) Эвритопность, отсутствие каких-то специфических требований к пространству обитания, позволяющая использовать в качестве мест для гнездования и укрытий техногенные сооружения. 4) Биохимическая пластичность, позволяющая выработать устойчивость как к антропогенным загрязнителям, так и к химическим ядам, применяемым для ограничения численности нежелательных синантропов. 5) Достаточно высокие темпы размножения и быстрая ротация поколений, позволяющие быстро закрепить нужные адаптации (от поведенческих до биохимических) на уровне генотипа.

Б) Для обитателей помещений необходимы те же самые экофизиологические характеристики, причем на одно из первых мест может выйти устойчивость к ядам, поскольку большинство вредных и нежелательных синантропов, которые повреждают и портят продукты и промышленное сырье, обитают непосредственно в жилых и производственных помещениях, и против них используются многочисленные химические средства борьбы. Но в то же время в помещениях постоянно благоприятный микроклимат, в результате чего могут быть утраченными адаптации к перепадам климатических условий.

47. Почему у полевок, питающихся зелеными частями растений, кишечник имеет большую длину, чем у мышей – потребителей семенного корма, а периодически – и животной пищи?

Мыши как потребители более калорийной пищи не нуждаются в слишком длинном кишечнике. Виды, которые питаются исключительно или преимущественно зелеными частями растений – низкокалорийными и содержащими много плохо перевариваемой клетчатки – имеют длинный кишечник для увеличения площади поверхности всасывания, и особенно – объемистый толстый и слепой кишечник, где происходит сбраживание целлюлозы с помощью бактерий и ее гидролиз на моно- и олигосахариды.

48. Каковы экологические преимущества постоянных (безотрывных) паразитов и многоотрывных паразитических членистоногих, несколько раз меняющих особь хозяина?

Основное преимущество безотрывных паразитов – надежность источника питания, снижение вероятности гибели при поиске нового хозяина от неблагоприятных внешних факторов внешней среды. Однако у таких паразитов затруднено расселение, которое может происходить лишь при непосредственном контакте животных – потенциальных хозяев. Многоотрывные паразитические членистоногие, несколько раз меняющие особь хозяина (в том числе и в облигатном цикле, как, например, у треххозяинных клещей), выигрывают в плане расселения и завоевания новых особей хозяев, но имеют большую вероятность гибели от неблагоприятных внешних условий или от невозможности найти специфического хозяина.

49. Почему некоторые виды пухоедов (отрядMallophaga) приурочены к определенным типам перьев у птицы?

Пухоеды являются высокоспецифичными паразитами: их отдельные виды приурочены не только к определенным видам птиц, но и к определенным типам перьев и частям оперения птицы. Это можно расценивать как сепарацию отдельных измерений экологической ниши паразита (пространственной и трофической), снижающую антагонизм различных видов паразитов и позволяя им сосуществовать, не нанося существенного вреда хозяину.

50. Вши паразитируют только у плацентарных млекопитающих; представителя отряда власоедов (Mallophaga) встречаются у сумчатых и однопроходных. Какая группа эктопаразитов является более древней?

Более древними являются власоеды (маллофаги), поскольку встречаются как у примитивных (сумчатых и однопроходных), так и у настоящих плацентарных млекопитающих. Вши паразитируют только у плацентарных зверей, а значит, возникновение и развитие этого отряда паразитов связано с появлением плацентарных млекопитающих как таксона и их дальнейшей адаптивной радиации (это один из ярких примеров закона Фурмана-Скрябина о коэволюции таксонов хозяев и паразитов).

51. Головная вошь является постоянным паразитом и может питаться исключительно кровью человека, а кровососущие двукрылые (временные эктопаразиты) питаются кровью многих животных. Есть ли взаимосвязь между этими фактами? Каким образом могла сформироваться узкая пищевая специфичность у вшей? Есть ли здесь роль такого эволюционного фактора, как изоляция?

Узкая пищевая специфичность у постоянных безотрывных паразитов могла сформироваться за счет изоляции на определенном виде и особях хозяев, расселение таких паразитов происходит только при контакте хозяев данного вида между собой. При этом сложились совершенные физиологические и поведенческие адаптации к питанию кровью данного вида хозяев (узкая специализация) и постепенно стало невозможным питание другими субстанциями, даже кровью животных другого вида. Временные эктопаразиты приобрели существенные поведенческие и анатомо-физиологические адаптации к питанию кровью вообще, но не кровью конкретного вида животных, и такая экофизиологическая пластичность важна при временном паразитизме, когда хозяин служит в основном лишь источником пищи, но не местом постоянного обитания (Шульман С.С. и Добровольский А.А. [1977] даже считают такой паразитизм граничащим с хищничеством).

52. Каковы эколого-эволюционные преимущества облигатных и не облигатных кровососов (регулярно или эпизодически сочетающих гематофагию с другими типами питания)?

Облигатные кровососы адаптированы к питанию легкоусвояемыми животными белками и энергетическими субстанциями на поведенческом и физиологическом уровне, и белки крови хорошо компенсируют все затраты вещества и энергии на репродуктивные нужды. Однако такой кровосос, по каким-то причинам лишенный доступа к животным-хозяевам, погибнет от невозможности завершить трофо-генитальный цикл. Кровососущие членистоногие, которые могут сочетать гематофагию с другими типами питания или питаться растительной углеводистой пищей, могут проиграть в энергетической ценности питательного субстрата, а к тому же при питании различными субстратами не достигается такого максимума извлечения вещества и энергии, как при стенофагии (универсальность и глубокая специализация несовместимы). Но эврифаги, не являющиеся облигатными кровососами, экологически пластичнее, их жизнь и размножения не зависят от какого-то одного питательного субстрата, и они смогут выжить и оставить потомство в любых условиях.

53. Какие способы терморегуляции могут быть свойственны холоднокровным животным (беспозвоночным и позвоночным), которые не поддерживают постоянную температуру тела за счет метаболизма?

К числу таких способов можно отнести три возможных варианта адаптаций. 1) Использование тепла окружающей среды – воды, воздуха, быстро нагревающихся предметов. Это, например, распределение сезонной и суточной активности, приходящейся на теплый период, использование нагретых камней (змеи). 2) Поглощение солнечного излучения за счет темной окраски тела. Примером этого является более темная окраска членистоногих (насекомых и клещей) в приполярных широтах по сравнению с умеренными и тропическими, а также активность темноокрашенных видов бабочек в средних широтах ранней весной и поздней осенью, тогда как светлые бабочки активны преимущественно летом. 3) Мышечная работа, при которой много энергии рассеивается в виде тепла. Например, температура тела шмелей и слепней после быстрого полета повышается до 30-40 градусов.

54. Известно, что все ткани и органы многофункциональны. Какие дополнительные функции могут быть свойственны запасающим органам, тканям и образованиям животных и растений?

Образования и органы, выполняющие запасающую функцию, как и запасаемые в них резервные энергетические вещества, не являются выключенными из жизнедеятельности организма, а принимают участие во многих жизненных процессах. Например, крахмальные зерна в тканях меристемы (особенно верхушечной) могут выполнять роль статолитов и задавать направление роста корня или побега (положительный или отрицательный геотропизм). Жировые ткани животных и человека могут выполнять несколько функций: депонирования жирорастворимых витаминов, некоторых гормонов и других биологически активных веществ; депонирования токсичных веществ, чтобы избежать сильной интоксикации и перегрузки печени и почек; теплорегуляции (подкожный жир) за счет плохой теплопроводности жировой ткани; предохранения костей, суставов, внутренних органов от ушибов и других механических повреждений; опорную и структурную функцию (поддержание, наряду с брыжейками, анатомически правильного положения внутренних органов, опорная функция жира на пальцах и подошвах, где он не исчезает даже при сильном истощении).

55. В каких случаях гибель макроорганизма (хозяина) может быть выгодна паразиту или патогену?

56. Почему не все паразиты-гематофаги являются кровососами? Каким образом они питаются, не имея адаптаций к повреждению тканей хозяина и кровососанию?

Гематофаги, не являющиеся кровососами, питаются кровью, вытекающей из ран и микротравм на теле животного. Такие гематофаги могут быть облигатными (некоторые виды клещей) и факультативными; к числу последних можно отнести власоедов и пухоедов (отряд Mallophaga), которые питаются роговыми образованиями и эпителием, но при микротравмах животного могут питаться кровью; некоторые виды гастроинтестинальных гельминтов, которые обычно питаются кишечным эпителием, но при повреждении сосудов могут потреблять вытекающую кровь (анкилостомы, власоглавы).

57. Почему у блох – гнездово-норных паразитов – обычно редуцированы глаза, тогда как у блох шерсти хорошо развито зрение?

У блох шерсти возникает необходимость поиска хозяина, для чего необходимо развитие многих сенсорных систем, в том числе и зрительного анализатора. Блохи гнезда не покидают норы и гнезда животных, поджидая там хозяина (блохи перелетных птиц даже переживают в гнездах зиму), поэтому у них нет необходимости поиска хозяина и ориентации во внешней среде. К тому же в норах и глубоких гнездах обычно темно, что делает зрительную ориентацию нецелесообразной.

58. Почему именно в тундре распространены стационарные блохи, в том числе блохи родов Tunga и Neotunga, никогда не покидающие своего хозяина и проникающие в глубокие слои кожи (вкожные паразиты), тогда как в средних и тропических широтах чаще встречаются полустационарные и мигрирующие блохи?

В слишком суровом климате блохи могут не выжить вне организма хозяина, поэтому им выгоднее не покидать особь хозяина, к которой они прикрепились, в течение всей жизни. К тому же численность животных-хозяев в условиях приполярных широт (как для моногостальных, так и для полигостальных видов блох), а, следовательно, и вероятность встречи с потенциальным хозяином гораздо ниже, чем в умеренных и тропических широтах.

59. Каковы преимущества и недостатки активного и пассивного питания животных?

60. Какие адаптации в системе хищник-жертва возникали в процессе эволюции: а) у хищника; б) у жертвы?

А) К числу известных адаптаций хищников можно отнести: 1) адаптации, направленные на то, чтобы остаться незамеченным для жертвы: покровительственную (криптическую) окраску, бесшумное передвижение (например, за счет втяжных когтей кошачьих), отсутствие запаха тела (кошачьи); 2) адаптации, направленные на поимку жертвы: способность затаиваться и стремительный рывок к жертве (кошачьи), высокие прыжки наземных хищников для ловли птиц (рысь, сервал, каракал), высокая скорость бега и аэробная выносливость (волки); 3) приспособления для удержания и разрывания добычи: острые конические зубы у всех насекомоядных и хищных, загнутые и острые клювы хищных птиц, когти кошачьих; 4) адаптации органов пищеварения: высокая кислотность желудочного сока и содержание протеолитических ферментов, небольшая длина желудочно-кишечного тракта (ввиду высокой калорийности и усвояемости животной пищи); 5) увеличение размеров тела, которое, с одной стороны, увеличивало абсолютные энергетические потребности, но с другой – позволяло охотиться на более крупных жертв и сделало более экономными теплоотдачу и метаболизм (ввиду уменьшения отношения площади к объему).

Б) В числе адаптации видов-жертв можно назвать: 1) окраску и форму тела, направленную на ложное восприятие хищником: криптическая окраска, мимикрия (подражание ядовитым животным или неживым предметам); 2) использование недоступных хищнику укрытий (норы, гнезда, дупла и даже техногенные сооружения); 3) высокая скорость бега, чтобы спастись от хищника; 4) высокие темпы размножения, когда хищник не наносит существенного урона популяции; 5) увеличение размеров тела, чтобы не всякий хищник мог одолеть крупное травоядное животное (это увеличило время соматического и репродуктивного созревания, снизило темпы размножения, но зато сделало более экономным метаболизм за счет снижения теплоотдачи при уменьшении отношения площади поверхности к объему).

61. Почему правило Глогера (осветление у близкородственных форм окраски к полюсам и усиление пигментации к экватору) соблюдается в отношении теплокровных позвоночных, а у членистоногих – наоборот: более интенсивно окрашенные формы встречаются в приполярных широтах?

Экофизиологический смысл правила Глогера для теплокровных животных имеет несколько аспектов. Во-первых, в светлом волосе и пере вместо пигмента находится воздух, что создает дополнительную теплоизоляцию. Во-вторых, в условиях тропиков меланиновый экран защищает внутренние органы от избытка жестких ультрафиолетовых излучений, а светлая кожа в приполярных и умеренных широтах предохраняет от рахита, пропуская в организм ультрафиолетовые лучи, превращающие провитамин Д в витамин. В-третьих, в условиях длительного снежного покрова белая или светлая окраска является криптической, тогда как в тропических и субтропических широтах, особенно в условиях открытых пространств, преобладают коричневые тона, которые являются доминирующими в окраске большинства животных. В отношении беспозвоночных, температура тела которых зависит от внешней среды и которые не имеют теплоизолирующих роговых образований, теплорегуляционный аспект правила Глогера теряет смысл. Однако многие насекомые и паукообразные используют для терморегуляции поглощение солнечных лучей поверхностью тела, а для этого нужна темная окраска, которая усиливается по мере похолодания климата.

62. Почему ранней весной и поздней осенью на севере Казахстана летают преимущественно бабочки темной окраски, а летом – светлые?

Ответ на этот вопрос аналогичен ответу на предыдущий. Температура тела насекомых зависит от температуры внешней среды, поэтому в относительно холодные периоды (ранняя весна и поздняя осень) бабочки с темной окраской используют для обогрева поглощение солнечных лучей поверхностью тела. В жаркий период целесообразнее отражение значительной части лучей, для чего служит светлая окраска тела и крыльев.

63. Какого рода отношения могут возникать между равными и различными по величине хищниками, обитающими в одном биотопе?

Равные или сравнимые по величине хищники обычно являются конкурентами, и обычно один вид вытесняет другой (если только временная и пространственная ниша этих видов, а с ней и пищевые объекты, не являются совершенно различными, - как, например, у дневных и ночных хищных птиц). Взаимоотношения весьма различных по величине хищников может быть различным. 1) Индифферентные отношения возникают тогда, когда разница в размерах хищников и видов-жертв слишком велика, и не сравнимы территориально-пространственные потребности этих видов (например, тигр и дикий амурский кот). 2) Комменсализм по типу паройкии имеет место в тех случаях, когда более мелкий вид держится возле более крупного и нередко подбирает остатки добычи (шакалы идут за волками). 3) Конкуренция, когда крупный и мелкий вид охотятся преимущественно на одни и те же объекты. 4) Физическое уничтожение крупными хищниками более мелких (например, рысь не только конкурирует с лисицей, охотясь на зайцев, но и физически уничтожает более мелкого хищника).

64. Какие взаимоотношения могут быть между равными и разными по размерам фитофагами, обитающими совместно?

Равные по размерам фитофаги чаще всего являются конкурентами – если только не имеют совершенно разные преферентные пищевые объекты (то есть частичное или полное разделение трофической ниши). Отношения между растительноядными видами, многократно отличающимися по размерам, могут быть от полностью индифферентных (если мелкий вид малочисленный) до конкурентных – если мелкие виды могут сильно увеличивать свою численность и конкурировать за пищу даже с крупными копытными (например, саранча).

65. Почему барханный кот, обитающий на юге Казахстана и в Средней Азии, является одним из наиболее мелких кошачьих рода Felis – по сравнению с манулом и европейской лесной кошкой (его вес всего 1,3-3,0 кг)?

Барханный кот обитает в регионах с наиболее жарким климатом, а, по правилу Бергмана, размеры и масса близкородственных видов уменьшаются к тропикам и увеличиваются к полюсам (для регуляции теплоотдачи через соотношение площади поверхности и объема тела). Обитающий на тех же широтах манул несколько крупнее барханного кота – ввиду более холодного климата гор и предгорий в связи с высотной поясностью.

66. Может ли какой-либо вид вымереть по причине пресса хищников, паразитов или патогенов?

Низшие трофические уровни (хозяева или жертвы) всегда лимитируют численность высших уровней (паразитов, патогенных микроорганизмов, хищников), но не наоборот. Падение численности вида-жертвы неизбежно приводит к снижению численности хищников, а при уменьшении пресса хищников начинается восстановление численности популяции жертв. Аналогичным образом регулируется численность паразитов и патогенов. В отношении численности паразитов многих видов хозяев в литературе имеются сведения, что годовая динамика численности паразитов повторяет динамику численности хозяев. Кроме того, при увеличении численности и плотности популяций хозяев и, соответственно, прямых и косвенных контактов между особями возрастает вероятность передачи возбудителей инфекций или инвазионных элементов паразитов.

67. Может ли исчезнуть вид хищника при вымирании вида-жертвы?

Если этот вид хищников – не стенофаг, а эврифаг, он может перейти частично на растительную пищу, частично – на другие доступные виды жертв. Вымирание хищников вслед за исчезновением вида-жертвы происходило в тех случаях, если хищник крупный (он исчезал вслед за массовым вымиранием крупных фитофагов) или если этот хищник по какой-то причине мог охотиться только на этот вид жертвы. Например, саблезубые тигры исчезли вслед за вымиранием гигантских носорогов и других крупных млекопитающих, у которых поедали только крупные и мягкие внутренние органы; поедать мясо и перемалывать тушки более мелких животных такими клыками махайроды не могли. Узко специализированные хищники (например, осоед и змееяд) не могут перейти на питание другими животными, и они исчезают в той местности, из которой исчезнет популяция вида-прокормителя.

68. Саблезубые тигры (махайроды) обладали гигантскими верхними клыками, у которых высота коронки во много раз превосходила высоту коронки остальных зубов. Почему, обладая столь совершенным орудием для умерщвления жертвы, этот вид хищников оказался вымершим, причем он вымер одновременно с исчезновением гигантских носорогов (хилотериев) и других крупных травоядных?

С помощью гигантских клыков махайрод мог убить любую жертву, но эти клыки мешали ему разрывать и есть мясо. Саблезубые тигры могли питаться только мягкими внутренними органами гигантских носорогов и других крупных млекопитающих, поэтому эти хищники стали исчезать вслед за исчезновением крупных фитофагов.

69. Предположите причины вымирания большерогого оленя. Почему гигантские рога, служившие надежной защитой от хищников, послужили основной причиной гибели?

Гигантские рога, служившие оленям как орудие турнирных боев (но в меньшей мере для защиты от крупных хищников), вскоре стали губительны для самого оленя по ряду возможных причин: 1) их было тяжело носить, это излишняя затрата вещества и энергии; 2) они снижали скорость бега; 3) они нарушали равновесие и координацию движений, делая оленя легкой добычей хищника; 4) с этими рогами было неудобно передвигаться по лесу, а на открытых пространствах – тяжело питаться травянистой растительностью.

70. Известно, что гипергенезы (увеличение размеров тела животного или отдельных структур) в конечном итоге приводят вид или более крупный таксон к вымиранию? Предположите несколько причин губительного влияния гипергенезов.

Можно предположить несколько причин влияния гипергенезов на вымирание вида, не противоречащих одна другой; причем среди этих причин могут быть как общие, характерные для всех крупных видов, так и частные, когда увеличение какой-то структуры могло привести к вымиранию определенный вид. 1) Крупные размеры тела требовали значительных затрат вещества и энергии на формирование соматического тела. 2) Возрастают абсолютные энергетические потребности отдельных особей, которые нередко могут быть удовлетворены только с помощью крупных или специфических пищевых объектов (особенно у крупных хищников). 3) Требуется значительное время на соматическое и репродуктивное созревание каждой особи, что снижает шансы доживания до репродуктивного возраста и воспроизводства потомства. 4) Каждая крупная и длительно живущая особь представляет репродуктивную ценность, и ее непредвиденная гибель ставит под угрозу численность всей популяции. 5) Медленные темпы репродукции и ротация поколений не позволяли быстро закреплять адаптивные изменения на генетическом уровне в меняющейся среде обитания. 6) Для управления крупным телом требовалась развитая система нейроэндокринной регуляции, а гигантские размеры отдельных структур могли нарушать координацию движений. 7) Увеличение размеров и массы отдельных структур могли нарушать возможность питания и других жизненно важных отправлений. Вымирание гигантских форм происходило чаще всего при резких изменениях климата, влиявших на растительный покров – источник пищи для крупных фитофагов, а вслед за ними вымирали крупные и специализированные хищники. Кроме того, крупные животные могут быть вытеснены более мелкими, но более совершенными в морфофизиологическом отношении, пластичными и адаптивными формами, которые легко приспосабливаются за счет высоких темпов размножения, быстрого восстановления численности, быстрой ротации поколений и закрепления признаков на генетическом уровне.

71. Чем отличаются особенности локомоции хищников и копытных, адаптированных к быстрому бегу?

У хищников (волк, гепард) высокая скорость бега достигается за счет гибкого позвоночника, на конечностях хорошо развиты мышцы бедра и голени, плеча и предплечья. У парнокопытных и непарнокопытных утрачена гибкость позвоночника (во время бега он фиксирован в одном положении), движение происходит за счет мощных мышц бедра и плеча, а голень и предплечье сухие, с минимумом мышечной массы.

72. Почему норные грызуны (слепушонка, цокор) адаптированы к рытью почвы преимущественно с помощью верхних резцов, а насекомоядные (кроты) – с помощью передних конечностей?

У грызунов крупные долотообразные резцы легко приспособить к рытью земли, без ущерба для основной функции зубов – откусывание твердой пищи. Зубы насекомоядных мелкие, конической формы, адаптированы для захвата беспозвоночных. Такие зубы сложнее приспособить для рытья грунта, к тому же в случае изменения формы фронтальных зубов их основная адаптация была бы утрачена. Поэтому у кротов сформировались роющие передние конечности – короткие, мощные, с твердыми и прочными когтями.

73. Чем выгодны, а чем невыгодны животному крупные размеры тела? Почему эволюция всех таксонов шла по пути увеличения размеров и массы тела?

Как видно из таблицы, крупные размеры неизбежно требуют высокого уровня развития многих систем органов, поэтому с ними связан морфофизиологический прогресс многих групп. Уменьшение соотношения площади поверхности и объема тела приводит к уменьшению теплоотдачи у теплокровных животных, что в итоге дает уменьшение относительных энергетических потребностей, экономный расход вещества и энергии, снижение темпов метаболизма, увеличение продолжительности жизни. Однако гигантские размеры неизбежно приводили к вымиранию многих видов: как утверждали древнекитайские философы, каждая вещь, достигнув своего предела, превращается в противоположность. Большая репродуктивная ценность каждой особи, медленные темпы соматического и полового созревания, невысокие темпы репродукции делают вид экологически хрупким. И, наоборот, у мелких видов с малой продолжительностью жизни и ничтожной ценностью каждой особи высокие темпы размножения быстро возмещают любое снижение численности популяций.

74. Назовите преимущества и недостатки мелких размеров тела. Почему эволюция любого таксона начиналась с мелких форм?

Эволюция любой систематической группы животных, давшей впоследствии широкую адаптивную радиацию, всегда начиналась с мелких форм, поскольку быстрое созревание и высокие темпы размножения обеспечивают частую смену генераций и реализацию потенциала комбинативной изменчивости, что позволяет в меняющихся условиях среды получать адаптивные генотипы и закреплять возникшие адаптации на генетическом уровне.

75. Почему крупные животные, у которых каждая особь представляет репродуктивную ценность, в экологическом плане более хрупки по сравнению с мелкими формами?

Как уже было отмечено в ответах на предыдущие вопросы, у крупных видов каждая особь представляет репродуктивную ценность ввиду затрат времени, вещества и энергии на формирование соматического тела и длительных сроков соматического и репродуктивного созревания. При этом снижается вероятность доживания отдельных особей до репродуктивного возраста, а плодовитость большинства крупных видов невелика. Эти экологически невыгодные особенности в определенной мере компенсируются большой продолжительностью жизни каждой особи (обеспечивающей репродуктивный потенциал популяции и значительное суммарное число потомков за всю жизнь), однако при этом не уменьшается вероятность гибели особи в течение репродуктивного, а не только ювенильного периода.

76. Хищные, насекомоядные, рукокрылые, зубатые киты питаются животной пищей. Какую общую черту в организации их зубной системы можно отметить?

Зубы всех вышеназванных групп млекопитающих (или, по крайней мере, те из них, которые непосредственно адаптированы для захвата, удержания и разрывания животной пищи) конической формы, с узкими и острыми вершинами. При одной и той же силе жевательных мышц захват добычи, могущей оказать сопротивление, будет эффективнее при уменьшении площади жевательной поверхности зуба (приложение силы к точке: давление прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально площади ее приложения).

77. Какова общая закономерность организации зубной системы хищников и грызунов, питающихся твердой пищей? Как ее объяснить с точки зрения физики?

Ответ на этот вопрос аналогичен ответу на предыдущий: уменьшение площади жевательной поверхности или суммарной жевательной поверхности нескольких зубов при той же силе жевательной мускулатуры обеспечит большее давление зуба на единицу площади, а значит, более эффективное удержание добычи или откусывание твердой пищи. У хищных клыки и коренные имеют коническую форму с заостренными вершинами, причем клык и хищный зуб (один из моляров) имеют более высокую коронку по сравнению с остальными зубами. У грызунов остаются только по 2 резца сверху и снизу, редуцируются остальные резцы и клыки (а у семейства мышиных – и все предкоренные зубы), и эти 4 зуба с заостренным режущим краем обеспечивают то же самое приложение силы к точке.

78. Каким птицам свойственны длинные хвостовые перья? Какое значение они имеют?

Длинные хвостовые перья для разных групп птиц могут выполнять различные функции. 1) Половой диморфизм и половой отбор (куриные). 2) Для многих лесных птиц длинный хвост выполняет роль руля, позволяя быстро менять направление полета (сорока). 3) С помощью длинного хвоста птица может совершать обманные движения, чтобы сбить с пути хищника и избавиться от его преследования.

79. Известно, что некоторые безвредные животные подражают по окраске ядовитым (мимикрия Бейтса). Что бы могло произойти, если бы подражающих безобидных видов было очень много?

В случае большого количества безвредных видов, подражающих по окраске ядовитым и защищенным, произошла бы своеобразная «девальвация» предостерегающей окраски, смысл которой – быстрое формирование негативных рефлексов у потенциальных хищников. Мимикрия Мюллера, при которой образуется так называемое кольцо мимикрии, куда входят несколько ядовитых видов со сходной яркой окраской, уменьшает вероятность гибели отдельных особей каждого вида от неопытных молодых птиц и других хищников. Но если число «пристроившихся» неядовитых видов со сходной окраской будет превосходить число ядовитых и опасных, то это снизит адаптационные возможности тех и других – за счет повышения вероятности того, что хищник все чаще будет ловить безвредное насекомое с предостерегающей окраской, и негативный жизненный опыт сформируется не сразу, либо не возникнет вообще.

80. Есть ли мимикрия у растений, и каков ее биологический смысл?

Мимикрия у растений может служить как для отпугивания, так и для привлечения животных, и обычно имеет место только у отдельных органов растения. Подражание одних растений другим целесообразно для опыления: лишенные нектара цветки белозера внешне сходны с медоносными растениями, за счет чего посещаются насекомыми. Яснотка, зеленчук, крапиволистный колокольчик имеют листья, похожие на крапиву, в результате чего люди и многие животные их не трогают (но такая мимикрия рассчитана на высокоорганизованных животных, у которых может формироваться жизненный опыт как совокупность соответствующих условных рефлексов). Ловчие аппараты насекомоядных растений (непентесы, росянка) похожи на цветки, привлекающие насекомых (которые затем погибают в ловушках). Цветки орхидей по форме, цвету и запаху похожи на самок некоторых насекомых-опылителей, чем привлекают самцов соответствующего вида.

81. Для каких целей могут быть адаптированы зубы животных, помимо захвата и измельчения пищи?

У различных групп млекопитающих сформировались следующие дополнительные функции зубов. 1) Рытье почвы (для устройства нор, как кроты, или выкапывания подземных частей растений, как у кабанов). 2) Орудие турнирных боев – половой отбор (клыки самцов бабируссы – животного семейства свиней). 3) Орудие самообороны и защиты от хищников (клыки кабана, бивни слонов). 4) Удержание самки при копуляции (коты). 5) Строительство жилища из крупных частей растений (бобры сооружают хатки и плотины, срезая резцами крупные деревья; ондатра делает хатки из крупной травы или прутьев, которые срезает зубами).

82. Назовите преимущества и недостатки стайного и одиночного образа жизни у животных?

83. Какое адаптивное значение имеет яркая окраска некоторых бабочек (при этом свойственная безобидным видам и не сходная с окраской каких-либо ядовитых насекомых)?

Бабочки с глазчатыми пятнами отпугивают птиц тем, что имеют сходство с другими птицами или зверьками. Некоторые бабочки по окраске и форме тела похожи на цветы, и когда они неподвижно сидят на растениях, то не привлекают внимание насекомоядных птиц.

85. Обладают ли хищные животные маскирующей окраской?

Покровительственная (в том числе маскирующая) окраска, делающая животное малозаметным на фоне типичного ландшафта его обитания, может быть свойственна не только видам-жертвам, но и хищникам – чтобы последние (в зависимости от способа охоты) не были заметны для жертвы. Светлоокрашенные и белые животные приполярных областей (выигрывающие не только в плане покровительственной окраски на фоне длительного снежного покрова, но и в аспекте теплорегуляции и профилактики недостатка витамина Д в условиях короткого солнечного дня) – это и хищники, и жертвы; белые медведи за счет криптической окраски подстерегают тюленей. Хищники семейства кошачьих, которые охотятся скрадом, обычно имеют пятнистую или полосатую окраску, тогда как собачьи, которые преследуют и загоняют добычу, обычно окрашены более однотонно. Дело в том, что пятнистые и полосатые рисунки, разводы, кривые линии могут делать изображение предмета нечетким и сливающимся с основным фоном, стирать границы предмета (а общим и универсальным свойством восприятия человека и животных является деление любого видимого изображения на предмет и фон). Такой вид маскирующей окраски называется дизруптивным (расчелняющим).

86. Может ли паразит приносить пользу хозяину как биологическому индивиду?

Паразитизм является антагонистическим симбиозом организмов разных видов, с противоположными экофизиологическими интересами хозяина и паразита. Однако в процессе коэволюции хозяев и паразитов паразит постепенно становится менее патогенным, а хозяин – более толерантным к паразиту. На популяционном уровне паразиты являются регуляторами численности популяций и факторами естественного отбора для хозяев, перераспределителями вещества и энергии в экосистеме. И, хотя паразитизм, в отличие от мутуалистического симбиоза остается противоречивым сожительством, где паразит как индивид не может обойтись без хозяина, все же паразиты могут приносить организму хозяина и определенную пользу.

87. Какое значение в покровительственной окраске животного могут иметь пятна, полосы, разводы?

Ответ на этот вопрос аналогичен ответам на вопросы №№ 85 и 92. Общим свойством восприятия человека и высших животных является деление любого возникающего на сетчатке глаза изображения на предмет и фон. Статус предмета обычно получает изображение достаточно крупное, яркое, контрастное, с четкими границами. И, наоборот, ломаные и кривые линии, нечеткие границы изображения, малая контрастность с основным фоном делают такой предмет частью фона. При этом нарушается также целостность восприятия предмета: пятнистые и полосатые рисунки, разводы, кривые и размытые линии могут делать изображение предмета нечетким и сливающимся с основным фоном, стирать его границы. Подобный вид покровительственной (маскировочной) окраски называют дизруптивным (расчленяющим). Такие рисунки свойственны многим видам амфибий и рептилий (жаб, лягушек, ящериц), некоторым копытным (чтобы быть незаметными для хищников), многим хищникам семейства кошачьих (которым важно незамеченными подкрасться к добыче).

88. В отряде Чешуекрылые у многих видов имеет место мимикрия в различных ее формах. Каким животным или предметам могут подражать по форме и окраске бабочки?

Разнообразие бабочек по окраске и форме тела порождает и весьма разнообразную мимикрию с целью защиты от насекомоядных птиц. Можно назвать следующие варианты подражательной окраски и формы тела бабочек, нередко сочетающихся с соответствующим поведением. 1) Подражание ядовитым и защищенным насекомым: например, бабочка-стеклянница похожа на крупную осу – шершня; некоторые белянки (Dismorphiaastynome,Perrhybrispyrrha)сходны с несъедобными ярко окрашенными бабочками-геликонидами с едким вкусом и неприятным запахом. 2) Подражание крупных ярких бабочек цветам, причем сходство усиливается, когда они неподвижно садятся на растения. 3) Бабочки с глазчатыми пятнами сходны со зверьками или птицами, поэтому многие птицы их не трогают (сочетание мимикрии и демонстрации как форм защиты). 4) Бабочки буровато-серой окраски похожи на сухие листья, причем сходство усиливается за счет круговых движений в полете, когда насекомое напоминает падающий лист. Гусеницы бабочек могут иметь сходство с сухими сучками (пяденицы), а также различные формы угрожающей окраски в сочетании с демонстрационным поведением (например, гусеница винного бражника приподнимает и раздувает передний конец тела, становясь похожей на змею).

89. Приведите примеры, когда паразит способствует гибели промежуточного хозяина для завершения цикла. Каким образом?

90. С каким генетическим явлением может быть связана соотносительная (коррелятивная) изменчивость?

Формирование соотносительной изменчивости – то есть корреляции пропорций отдельных частей тела животного – обусловлено взаимодействием таких явлений, как полимерия и плейотропия. С одной стороны, размеры и пропорции тела и его отдельных частей и органов являются количественными признаками, а значит, детерминируются многими десятками генов, имеют достаточно широкую норму реакции и контролируются не только генотипом, но и условиями внешней среды. С другой стороны, каждый ген или группа генов плейотропно влияют на многие признаки организма (морфологические, физиологические, биохимические). Кроме того, гены, расположенные в одной хромосоме, обычно наследуются сцепленно (за исключением небольшого процента кроссинговера), и такие группы сцепления детерминируют несколько взаимосвязанных между собой признаков. Корреляция пропорций различных частей тела у брахиморфных, мезоморфных и долихоморфных людей и животных предопределяется плейотропией. Удлиненные конечности у индивидов долихоморфного типа обычно коррелируют с длинной шеей, узкой грудной клеткой, небольшим объемом грудной и брюшной полостей, долихокранным черепом, вытянутым в кондилобазальном направлении. И, наоборот, у брахиморфных особей обычно укороченные шея и конечности, расширенные таз и грудная клетка, крупная голова с брахикранным (округлым коротким) черепом.

91. Взаимодействуют ли между собой мутационная и комбинативная изменчивость?

Любая возникшая мутация должна вписаться в генотип организма – то есть коадаптироваться в нем, а комбинативная изменчивость будет либо способствовать, либо препятствовать коадаптации мутантного гена. Рецессивные мутации получат фенотипическое проявление только в гомозиготном сочетании, а для получения этого сочетания необходимы рекомбинации генетического материала в 2-3 поколениях. Доминантные мутации могут иметь разное проявление в различных сочетаниях. В гетерозиготных сочетаниях действие многих доминантных генов выражено сильнее, чем в гомозиготных (эффект сверхдоминирования). При летальности доминантных гомозигот доминантная мутация будет отбраковываться естественным отбором в гомозиготном и сохраняться в гетерозиготном сочетании. А для получения различных сочетаний нормальных и мутантных генов и их оценки естественным отбором необходимы рекомбинации генетического материала, происходящие при половом размножении.

92. Почему хищники семейства кошачьих часто имеют пятнистую или полосатую окраску, а собачьи окрашены более однотонно?

Ответ на этот вопрос, по сути, содержится в ответе на вопрос № 85. Хищникам семейства кошачьих, которые подстерегают добычу из засады (скрадывают), важно остаться незамеченными для жертвы, чтобы потом с короткого расстояния совершить прыжок. Поэтому многим из них свойственна маскировочная окраска: криптическая – сливающаяся с основным фоном (рысь, каракал) или дизруптивная (леопард, ягуар, тигр). Пятнистые и полосатые рисунки, разводы, кривые линии могут делать изображение предмета нечетким и сливающимся с основным фоном, стирать границы предмета (а общим и универсальным свойством восприятия человека и животных является предметность – деление любого видимого изображения на предмет и фон, и целостность). Хищники семейства собачьих охотятся загоном, им важна высокая скорость бега и хорошая аэробная выносливость, а не надежная покровительственная окраска.

93. Почему попытки увеличения размеров тела одноклеточных организмов за счет гигантских размеров одной (пусть и многоядерной) клетки заканчивались эволюционным тупиком?

Гигантские многоядерные клетки без внутренней мембранной компартментализации исключали возможность дифференциации тканей и органов, а значит, разделение функций, дальнейшее усложнение и морфофизиологический прогресс организма. Кроме того, интоксикация какими-то веществами из внешней среды или патологический процесс, начавшийся в одной части организма, не будут локализованы и обезврежены, быстро распространятся по всему телу и приведут организм к гибели.

94. Почему газобменный (легочный) круг кровообращения возник только у наземных позвоночных, а у рыб такого круга нет?

Невысокое содержание растворенного в воде кислорода (ввиду его малой физической растворимости) делает газообмен в жабрах медленным и не таким эффективным, как в легких и других органах наземного дыхания, извлекающих кислород из атмосферного воздуха, где его содержание 20-21%. Поэтому специальный газообменный круг у рыб, когда по специальным сосудам кровь подавалась бы только в жабры для газообмена, был бы нецелесообразен.

95. Почему среди первичноводных животных нет теплокровных, а все водные теплокровные – вторично вошедшие в воду виды, которые дышат атмосферным воздухом?

Для поддержания постоянной температуры тела в организме животного должны уравновешиваться процессы теплоотдачи и теплопродукции. Тепло продуцируется организмом только за счет его метаболизма, для высоких темпов которого необходимы как энергетические вещества, так и кислород (окислитель). Водная среда богата потенциальными трофическими ресурсами, однако при извлечении организмом кислорода из воды, где его доля в растворенном состоянии невелика, невозможно достижение таких темпов энергетического обмена, которые могли бы поддерживать постоянную температуру тела. Темпы теплоотдачи в воде гораздо выше, чем на воздухе. И только при дыхании атмосферным воздухом вторично вошедшие в воду млекопитающие смогли сохранять постоянную температуру тела, несмотря на высокий уровень теплоотдачи в воде, связанный с ее высокой удельной теплоемкостью. Среди факторов сохранения тепла водными млекопитающими можно назвать толстый слой подкожного жира (выполняющий теплоизолирующую функцию), большие размеры тела (уменьшающие отношение площади поверхности к объему) и минимум выступающих частей тела в связи с его рыбообразной формой и редуцированными конечностями (что также дает меньшее соотношение площади и объема).

96.Почему у земноводных и пресмыкающихся трехкамерное сердце, а четырехкамерное возникает только в классах теплокровных позвоночных (птиц и млекопитающих)?

При невысоких темпах метаболизма у амфибий и рептилий нет необходимости полного разделения артериальной и венозной крови. У наземных холоднокровных позвоночных, обитающих в средних широтах, 6-7 месяцев в году приходится на период зимнего покоя, близкого к анабиозу. В связи с этим отпадает необходимость создавать дополнительные структуры в сердечно-сосудистой системе, связанные с газообменом. У амфибий, особенно проводящих длительное время в воде и использующих преимущественно кожное дыхание, полное обособление газообменного (легочного) круга кровообращения особенно нецелесообразно. У рептилий, полностью перешедших к наземному образу жизни, появляется неполная внутренняя перегородка в желудочке, в большей мере обеспечивающая разделение артериальной и венозной крови.

97. Хищники семейства кошачьих охотятся скрадом, и им необходима покровительственная (маскирующая) окраска. Чем отличается покровительственная окраска однотонно окрашенных кошачьих (рысь, каракал, лев) и животных с пятнистым или полосатым рисунком (леопард, тигр, ягуар, снежный барс)?

Однотонно окрашенные звери (лев, рысь, каракал) обладают криптической окраской – различные оттенки серовато-бурого, коричневого, желтого цвета делают их незаметными на почве открытых пространств, особенно бедных растительностью. Пятнистый или полосатый рисунок дает дизруптивную (расчленяющую) окраску, которая делает очертания предмета неясными, размытыми, то есть нарушает целостность и предметность восприятия.

98. Согласно правилу Глогера, окраска близкородственных форм и представителей одного вида становится светлее от тропиков и полюсам и по мере подъема в горы. Однако тибетский монах Т.Лобсанг Рампа в своих книгах писал, что сиамские коты в высокогорьях в зоне вечного холода приобретают более темную окраску, чем на равнинах. В других источниках также есть сведения о более темной окраске сиамских кошек на холоде. Как это можно объяснить?

Более светлые оттенки окраски животных в холодных условиях закрепляются на генетическом уровне, и это имеет определенные адаптивные преимущества: в светлом волосе содержится меньше пигмента, а больше – воздуха, который плохо проводит тепло. Но в то же время при стабильном генотипе (гомозиготное сочетание рецессивных генов сиамского альбино у котов, дающее более светлую – по сравнению с черной или агути – окраску) на холоде обмен веществ становится интенсивнее, что приводит к повышенному отложению пигмента в коже и волосах. Возможно, по этой же причине у снежного барса, обитающего в высокогорьях, зимний мех темнее летнего; к тому же не исключено, что при высоком уровне солнечной радиации в горах это дает определенные адаптивные преимущества: темная окраска поглощает, а светлая – хорошо отражает солнечные лучи. Не исключена и третья причина (по-видимому, объясняющая и другие факты так называемого «горного меланизма» млекопитающих): меланиновый экран предохраняет от избытка солнечных излучений в горах, где атмосфера хорошо проницаема для ионизирующих лучей.

Возможно, феномен горного меланизма объясняется формированием защитного меланинового экрана против жестких излучений в горах, где атмосфера более тонкая, и ультрафиолетовые и более коротковолновые жесткие лучи могут приводить к мутагенным и канцерогенным воздействиям. Слой меланина у горных животных формируется в онтогенезе естественным путем – под воздействием ультрафиолетовых лучей.

99. Почему лесной (черный) хорь, обитающий в лесной зоне европейской части России до Урала, окрашен значительно темнее степного (светлого) хоря, обитающего в степных, лесостепных и полупустынных зонах Средней Азии и Казахстана?

Согласно правилу Глогера, окраска близкородственных форм теплокровных животных становится более темной при продвижении от полярных широт к тропическим. Более темноокрашенный лесной хорь обитает в более высоких широтах, но в этом случае его интенсивная пигментация связана с обитанием в более влажных условиях со сравнительно мягким климатом. Степной хорь живет в более сухих условиях, к тому же с резко континентальным климатом и суровой зимой с сильным понижением температур. Поэтому противоречия правилу Глогера в данном случае нет: основную роль в формировании окраски играют не географические широты как таковые, а условия температуры и влажности.

100. Назовите одомашненные альбинотические формы диких животных. Для каких целей они служат?

101. У крупных видов – как хищных, так и травоядных – число детенышей в помете обычно мало (1-3, редко больше). Мышевидные грызуны и мелкие насекомоядные (землеройки) отличаются многочисленными выводками (от 5 до 12, и даже более 20). У хищников средней величины (особенно куньих) количество детенышей в одном выводке может варьировать от 1-3 до 12-18. С чем это связано?

Крупные животные с любым спектром питания не отличаются плодовитостью (в связи с высокими абсолютными энергетическими потребностями, большой продолжительностью жизни и высокой репродуктивной ценностью каждой особи). Во внутриутробном периоде развития достаточно много времени, вещества и энергии тратится на формирование соматического тела эмбриона, чтобы он появился на свет сформированным и смог выжить, поэтому таких детенышей не может быть много. Высокая плодовитость мелких видов предопределяется как размерами выводков, так и небольшой продолжительностью беременности и многочисленными пометами за один сезон, что является компенсацией небольшой продолжительности жизни и экологической роли кормовой базы для многих хищников. Хищники средней величины, с одной стороны, являются консументами 2-3 порядка, то есть занимают высокое место в экологической пирамиде, и их численность предопределяется численностью видов-жертв. С другой стороны, небольшие абсолютные энергетические потребности особей позволяют им быть более многочисленными, нежели крупные хищники. Поэтому плодовитость таких видов варьирует в зависимости от благоприятности внешних условий и наличных трофических ресурсов. Кроме того, детеныши большинства хищников рождаются беспомощными, и не все они выживают, поэтому высокая плодовитость также служит для увеличения вероятности выживания физиологически незрелых детенышей. Кстати, есть и крупные виды с многочисленными выводками, если детеныши мелкие и беспомощные, и отход таких потомков велик (например, кабаны, свиньи).

102. Применима ли пословица «Яблоко от яблони недалеко падает» к распространению семян?

Большинство растений так или иначе адаптированы к распространению плодов и семян на значительные расстояния от родительского растения, что служит залогом расселения вида (гидрохория, анемохория, зоохория, антропохория). При распространении семян преимущественно ветром (анемохория) они легкие и уносятся воздушными течениями на большие расстояния. Что же касается достаточно тяжелых плодов и семян, которые действительно рискуют упасть недалеко от родительского растения, то они адаптированы главным образом к распространению животными за счет вкусных и питательных плодов. Животные, поедающие такие плоды, способствуют распространению семян: либо за счет потери и забывания запасов в земле (различные орехи) – путем экзозоохории, либо за счет прохождения семян транзитом через желудочно-кишечный тракт при поедании плода – путем эндозоохории.

103. Какое значение может иметь латентная стадия беременности, присущая некоторым млекопитающим (например, куньим)?

Латентная стадия беременности, когда после оплодотворения развитие эмбрионов может приостановиться на значительный срок (до нескольких месяцев) способствует сохранению жизни самки при наступлении неблагоприятных условий, когда донашивание беременности, рождение и кормление детенышей окажется непосильной тратой вещества и энергии. Кроме того, возможность задержки развития плода оптимальна тем, что у животных с относительно короткими сроками беременности гон происходит осенью, в теплое время и при достаточном корме (потому что брачные ритуалы тоже требуют от животных значительных энергозатрат), а рождение детенышей приурочено к весне, чтобы молодняк мог подрасти до осени.

104. Какие теплорегулирующие приспособления существуют у пассивных стадий животных (яйца, куколки и т.д.)?

К числу таких адаптаций можно отнести следующие. 1) Компактная, округлая форма, уменьшающая площадь соприкосновения с внешней средой, а, следовательно, и теплообмен (который может создать неблагоприятные условия для покоящейся стадии – ее перегрев или переохлаждение). 2) Воздушная прослойка, обеспечивающая теплоизоляцию. 3) Толстые многослойные оболочки из теплоизолирующих веществ. 4) Липидные включения или липидный слой в оболочках, который, с одной стороны, отличается плохой теплопроводностью, с другой – интенсивно окисляющийся жир, особенно бурый жир с высоким содержанием каротиноидов, выделяет много тепловой энергии. 5) Влагонепроницаемые оболочки, которые предотвращают потерю тепла за счет испарения жидкости и сохраняют тепло за счет конденсации влаги на внутренней поверхности оболочек (такие оболочки предотвращают также обезвоживание покоящейся стадии).

105. Почему у многих видов хищных птиц самки крупнее самцов?

Этот факт можно расценивать как разделение трофической ниши в пределах вида половыми группировками животных. Например, у ястреба-тетеревятника самцы, которые по размерам в полтора-два раза мельче самок, питаются мелкими птицами, тогда как самки охотятся на более крупную добычу. С учетом того, что именно самка тратит больше вещества и энергии на репродуктивные нужды, а самцы выполняют главным образом роль агентов генетического разнообразия, более крупные размеры тела самки целесообразны как залог изначально более высокого запаса вещества и энергии.

106. Почему в суровые зимы окраска многих видов зимующих птиц (в том числе домового и полевого воробьев, большой синицы) становится темнее?

Усиление пигментации у постоянно живущих и зимующих птиц в наиболее холодные месяцы по сравнению с летними и осенними, вероятно, является следствием повышения темпов энергетического обмена на холоде. Так что роговые структуры (шерсть и перо) относительно светлоокрашенных животных могут служить своеобразным индикатором интенсивности метаболизма в различных температурных условиях, возможно, давая при этом определенные адаптивные преимущества (в виде отражения или поглощения внешних излучений). Генетически детерминированные уровни пигментации (колеблющиеся в пределах определенной нормы реакции) закрепляются в определенных широтах и климатических условиях согласно правилу Глогера, однако более интенсивный обмен веществ на холоде приводит к усиленному отложению меланина, гемосидерина и других пигментов в коже и волосах, что является обратимым явлением.

107. Почему при отстреле крупных копытных (любительской или промысловой охоте) разрешается добывать 10% животных репродуктивных возрастов, 30-40% сенильных и 50% молодняка (телят)? Почему допустима такая высокая доля изъятия молодняка?

Сенильные животные, которые перестают выполнять репродуктивную функцию, являются бесполезными потребителями трофического ресурса и могут препятствовать нормальному развитию молодняка. Избыточное количество молодняка в популяции также нецелесообразно – ее основу должны составлять особи репродуктивных возрастов, могущие размножаться в настоящее время. Не размножающийся многочисленный молодняк потребляет трофические ресурсы, среди него могут начаться эпизоотии (ввиду частых контактов и незрелости иммунной системы), которые затем перекидываются на всю популяцию. Кроме того, далеко не весь молодняк доживет до репродуктивного возраста, поэтому искусственное изъятие части молодняка путем отстрела вполне целесообразно для всей популяции копытных.

108. Известно, что правило Глогера распространяется не только на распределение близкородственных форм по географическим широтам, но и на высотную поясность: по мере увеличения высоты над уровнем моря животные становятся светлее. В то же время известен феномен так называемого «горного меланизма» - усиления пигментации по мере подъема в горы, например, у соболей и черно-бурых лисиц. Наиболее ценный баргузинский соболь имеет почти черную окраску, но попытка акклиматизации этой формы на равнине привела к тому, что у потомков баргузинских соболей на меньших абсолютных высотах окраска стала такой же светлой, как и у типичных равнинных животных. Нет ли здесь противоречия?

Действительно, у большинства видов животных по мере подъема в горы окраска становилась светлее, что вполне объяснимо лучшим сохранением тепла, поскольку в светлом волосе вместо пигмента находится воздух.

Вероятно, во всех случаях горного меланизма (как у сиамских котов, что обсуждалось в заданиях №№ 98 и 41), так и у промысловых пушных зверей) интенсивность пигментации возрастала под влиянием как высоких темпов метаболизма на холоде, так и избытка ультрафиолетового излучения на больших высотах, заставляя организм животных вырабатывать защитный меланиновый экран. Выработка меланина облегчалась повышением темпов метаболизма в условиях низких температур (и, в свою очередь, темная окраска, хорошо поглощающая лучи, оказалась оптимальной в холодных условиях высокогорий). На равнинах светлая окраска волоса и кожи в условиях короткого дня средних и приполярных широт служила также для профилактики дефицита витамина Д, что не актуально в горах в условиях избытка УФ-излучений (где, наоборот, нужна защита от избытка жестких лучей при тонком слое атмосферы).

И, таким образом, ортодоксальное выполнение правила Глогера при высотной поясности или, наоборот, горный меланизм зависят от многих экофизиологических факторов, когда взвешиваются все «за» и «против» в адаптациях каждого конкретного вида к высокогорным условиям.

109. Почему организмы-галофилы, обитающие в условиях экстремальной солености, синтезируют или накапливают большое количество каротина, приобретая оранжевую окраску?

Многие животные-галофилы, обитающие в условиях экстремального уровня засоленности (как в морях, так и в сильно засоленных озерах), накапливают или синтезируют каротиноиды, за счет чего приобретают ярко-оранжевую окраску. Это характерно и для эвригалинных рачков рода артемия, живущих при разных концентрациях соли. Интенсивная оранжевая или алая окраска характерна для рачков, обитающих в наиболее соленых водоемах – 250-300 г/л. Артемии из водоемов с относительно низким содержанием солей обычно зеленоватые или прозрачные.

По-видимому, накопление каротиноидов является одной из физиологических и биохимических адаптаций галофильных организмов к условиям экстремальной засоленности. Логично предположить, что каротиноиды как вещества с большим числом ненасыщенных связей легко реагируют с окислителями (в том числе с растворенным в воде кислородом), что актуально для активации дыхания в водоемах с низким содержанием кислорода. (Соленые водоемы отличаются низким содержанием кислорода в воде, причем его концентрация падает по мере увеличения массовой доли солей). Кроме того, каротиноиды, будучи жирорастворимыми веществами, благодаря своей окисляемости улучшают окисление жиров (которые из всех энергетических веществ требуют больше всего кислорода). Метаболическая вода, образующаяся при окислении, служит для осморегуляции и разбавления солей в теле галофильных животных. Каротиноиды способны к оксигенации/деоксигенации, могут депонировать кислород в клетке и выдавать его в случае дефицита. На базе экспериментальных исследований многих групп беспозвоночных и позвоночных животных сформулирована теория, согласно которой каротиноиды принимают участие в формировании иного, чем митохондрии, энергопроводящего органа, функцией которого является обеспечение клеток энергией в условиях гипоксии, когда митохондрии не могут нормально функционировать. Запасы каротиноидов достаточно велики у гельминтов, паразитирующих в условиях дефицита кислорода, особенно в желудочно-кишечном тракте. Каротиноиды играют важную роль в обмене веществ, участвуя в транспорте электронов, за счет той же особенности своего химического строения, которая обусловливает активное присоединение и депонирование кислорода, - наличия большого числа двойных связей в молекуле.

110. Одинаковы ли механизмы адаптации к солености почвенного раствора у различных видов растений-галофитов?

111. Есть ли способы и механизмы терморегуляции у растений?

У растений на различных стадиях развития есть разные по экофизиологическому механизму адаптации к переживанию высоких и низких температур, причем некоторые из этих адаптаций жестко закрепляются на генетическом уровне, другие возникают в онтогенезе.

1. Устойчивость к низким температурам: высокое содержание солей, накопление сахаров (для снижения точки замерзания цитоплазмы и межклеточного раствора), синтез белков с высоким содержанием серы.

2. Устойчивость к высоким температурам: серебристо-серый цвет листьев и побегов для отражения лучей; глянцевая поверхность листа, отражающая излучение; синтез белков, коагулирующих при температуре выше +60^оС.

3. Способы теплоизоляции: зимовка почек возобновления на подземных побегах; низкий рост побегов и кустарничков, зимующих под снегом; опушенность листьев и побегов.

4. Использование удельной теплоты испарения воды: транспирация – физиологическое испарение воды через устьица.

112. Большинство водных животных имеют темный верх тела и светлоокрашенный низ, а клоп гладыш, плавающий на спине, - наоборот. Почему? Какое защитное значение имеет такое распределение цветов?

Так называемая скрадывающая окраска, для которой характерен темный верх тела и более светлый низ, является разновидностью покровительственной (маскирующей) окраски и основана на эффекте противотени. Ее биологический смысл в том, что ярко освещаемая темная спина животного сливается с менее освещаемым светлым брюхом, окраска кажется монотонной, и животное сливается с окружающим фоном. А животные, плавающие в толще воды, кажутся при этом плоскими в спинно-брюшном направлении, и потому незаметными. Если гладыш в воде передвигается на спине, то противотень создается за счет хорошо освещаемого темного брюшка. Это хищное насекомое, которому нужно быть не замеченным потенциальной жертвой.

113. У каких животных личиночные формы крупнее взрослых особей? Какое это имеет значение?

У многих насекомых, развивающихся с полным превращением, тело личинки крупнее и толще тела взрослого насекомого. Дело в том, что на личиночной стадии должно быть запасено столько пластических и энергетических субстанций, чтобы их хватило на глубокий метаморфоз – то есть построение новых органов и частей тела, а также на энергетическое обеспечение этого процесса.

114. Какие животные с полностью водным образом жизни дышат атмосферным кислородом? Какие у них имеются приспособления для этого?

Это китообразные, ластоногие и водные птицы, способные к длительному нырянию. У таких животных адаптации к длительному недостатку кислорода формируются обычно не путем увеличения объема легких, а за счет увеличения гемоглобина в крови.

Из беспозвоночных паук-серебрянка создает запасы воздуха в своих подводных жилищах. Водяные скорпионы и ранатры имеют дыхательные трубочки на заднем конце тела, которые высовывают наружу из воды.

115. Какие сухопутные животные дышат с помощью жабр? Каким образом?

С помощью жабр дышат равноногие рачки-мокрицы и крабы. Основное условие дыхания этих животных – высокая относительная влажность воздуха, чтобы жабры постоянно увлажнялись. Крабы обитают в условиях влажного морского климата, а мокрицы являются индикатором избыточной влажности жилых и хозяйственных помещений.

116. Почему для тундры характерно много вечнозеленых кустарников и кустарничков?

Короткий вегетационный период не позволяет многим растениям сформировать семена, поэтому среди растений тундры преобладает вегетативное размножение. Прирост вегетативных частей растений за короткое лето (около двух месяцев) очень мал, и зимний период они переживают под снегом, чему способствует низкий рост большинства тундровых растений и теплоизолирующие свойства глубокого снежного покрова, сохраняющего возле земли почти плюсовую температуру.

117. Почему медведь во второй половине лета и осенью питается главным образом растительной пищей?

При питании углеводистой пищей быстрее происходит накопление жира, что необходимо медведю перед зимней спячкой (во время которой медведица должна еще выносить и родить детеныша). Зимоспящим животным необходимы в первую очередь энергетические запасы, а не животные белки для увеличения мышечной силы и структурных нужд. Белковое голодание медведи будут преодолевать весной, нападая на любых животных или потребляя падаль.

118. Почему многие растения осенью накапливают в надземной части много растворимых сахаров?

Моносахариды и олигосахариды существенно снижают точку замерзания водного раствора, что актуально для адаптации растений к первым заморозкам осенью. Это первый этап закаливания растений, обеспечивающий их жизнеспособность при низких положительных и небольших минусовых температурах. Второй этап закаливания заключается в усиленном синтезе белков, содержащих большое количество сульфгидрильных групп: они не утрачивают своей структуры за счет образования дисульфидных мостиков даже после замерзания клеточного содержимого.

119. Известно, что мыши питаются в основном семенами, а полевки - зелеными частями растений. Почему в тундре обитают главным образом представители семейства полевочьих, а не мышиных?

Ответ на этот вопрос практически вытекает из правильного ответа на задание № 116: семенная продуктивность растений тундры невелика, у них преобладает вегетативное размножение, многие формы являются вечнозелеными и зимуют под снегом. Это обеспечивает хорошую кормовую базу для полевок и не создает условий для обитания мышей.

120. Почему так называемые растения-подушки – вечнозеленые, с укороченными, многочисленными и тесно расположенными побегами, образующими общую ровную поверхность (подушку), характерны для тундры, высокогорья, холодных пустынь и других неблагоприятных местообитаний?

Внутри такого растения создается особый автономный микроклимат с сохранением тепла и/или влаги, что позволяет сохранять почки возобновления и вегетативное тело растения в неблагоприятный период. Такие растения часто бывают вечнозелеными и размножаются главным образом вегетативно, поскольку в короткий вегетационный период не успеет ежегодно формироваться новое вегетативное тело и созревать семена.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/288803-voprosy-dlja-razvitija-kriticheskogo-myshleni